DE3806147C2

DE3806147C2 -

Info

Publication number: DE3806147C2
Application number: DE3806147A
Authority: DE
Inventors: Bernd Schroeter; Hans-Joachim 5210 Troisdorf De Bartels; Wilfried 5330 Koenigswinter De Schwarz; Richard 5204 Lohmar De Fellmann
Original assignee: Reifenhaeuser GmbH and Co KG Maschinenenfabrik
Current assignee: Reifenhaeuser GmbH and Co KG Maschinenenfabrik
Priority date: 1987-02-27
Filing date: 1988-02-26
Publication date: 1990-07-26
Also published as: DE8816780U1; DE3806147A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Mischen von thermoplastifiziertem Kunststoff mit einem Stator und ei nem darin angeordneten Rotor, die auf ihrem Umfang einan der zugewandte, in Umfangsrichtung und in Axialrichtung gereihte, als rinnenförmige Vertiefungen ausgebildete Mischkammern aufweisen.The invention relates to a device for mixing thermoplastic with a stator and egg nem arranged therein, the one on its circumference the facing, in the circumferential direction and in the axial direction lined up, designed as trough-shaped depressions Have mixing chambers.

Bei der bekannten Vorrichtung, von der die Erfindung aus geht (GB 21 63 088), sind die als rinnenförmige Vertie fungen ausgebildeten Mischkammern im Grundriß stirnseitig und rückseitig von einem Halbkreis begrenzt. Im Radial schnitt sind sie kreisbogenförmig. Die in Umfangsrichtung gereihten Mischkammern in Stator und Rotor sind gegenein ander versetzt. Eine besondere Beziehung zwischen dem Radius des Halbkreises, der im Grundriß die stirnseitige und die rückseitige Begrenzung der Mischkammern definiert, dem Radius des Kreisbogens, der den Querschnitt der Rin nenform definiert und den sonstigen geometrischen Para metern der Mischkammern sowie deren Anordnung ist nicht angegeben. Der Mischwirkungsgrad der bekannten Vorrich tung, der durch den Quotienten aus erreichter Homogeni sierung und aufgewandter Energie bestimmt ist, ist ver besserungsbedürftig. Wenn ein und dieselbe Vorrichtung eingesetzt werden soll, um unterschiedliche thermoplasti sche Kunststoffe zu mischen, so entzieht sich die Ände rung des Mischwirkungsgrades der Prognose. Häufig muß eine störende Verschlechterung in Kauf genommen werden. Eine Übertragung der bei einer Vorrichtung des bekannten Aufbaus bei einem bestimmten Rotordurchmesser und damit Statordurchmesser erprobten geometrischen Parameter für die Ausbildung und Anordnung der Mischkammern auf eine Vorrichtung des gleichen Aufbaus, jedoch mit unterschied lichem Rotordurchmesser ist im allgemeinen nicht möglich. Es muß bei einer solchen Übertragung vielmehr häufig ebenfalls eine beachtliche Verschlechterung des Mischwir kungsgrades in Kauf genommen werden. Auch können sich dann in den Vertiefungen Ablagerungen bilden. Bei der bekannten Vorrichtung ist zur Einstellung der Verhältnisse auf un terschiedliche Mischvorgänge eine axiale Verschiebung des Rotors gegenüber dem Stator vorgesehen und ein Extruder mit zusätzlichem Mischabschnitt, der besondere Knet- und Mischblätter aufweist, ist vorgeschaltet, was alles auf wendig ist.In the known device from which the invention (GB 21 63 088), they are as a gutter-shaped recess sung trained mixing chambers in the front plan and bounded on the back by a semicircle. In the radial cut they are circular arcs. The circumferentially The mixing chambers in the stator and rotor are lined up other offset. A special relationship between the Radius of the semicircle, which in plan is the front and defines the rear boundary of the mixing chambers, the radius of the circular arc, which is the cross section of the Rin defined and the other geometric para meters of the mixing chambers and their arrangement is not specified. The mixing efficiency of the known Vorrich tion, the homogeneity achieved by the quotient and energy is determined, is ver in need of improvement. If the same device should be used to different thermoplastic mixing plastics, the change escapes the mixing efficiency of the forecast. Frequently must a disturbing deterioration can be accepted. A transmission of the device of the known Construction with a certain rotor diameter and thus Stator diameter tested geometric parameters for the formation and arrangement of the mixing chambers on one Device of the same structure, but with a difference Lich rotor diameter is generally not possible. Rather, it must be frequent with such a transmission also a considerable deterioration in the mix efficiency levels are accepted. Then too form deposits in the depressions. With the known Device is for setting the conditions on un different mixing processes an axial displacement of the Rotor provided opposite the stator and an extruder with additional mixing section, the special kneading and Mixed blades, is upstream of everything on is agile.

Ähnlich liegen die Verhältnisse bei anderen bekannten Vorrichtungen der beschriebenen Zweckbestimmung (GB 9 30 339), bei denen die Mischkammern einen etwa rechteckigen Grundriß aufweisen sowie im Radialschnitt rechteckig bis trapezförmig gestaltet sind. Hier können in Ecken der Vertiefungen tote Zonen entstehen, in denen sich Ablagerungen bilden. Um den Mischwirkungsgrad zu ver bessern, ist es bei einer weiteren Vorrichtung der angege benen Zweckbestimmung bekannt (EP 00 48 590), mit mehr oder weniger halbkugelförmigen Mischkammern zu arbeiten, die in bezug auf die Anordnung der Mischkammern nicht nur zwischen Rotor und Stator, sondern auch im Rotor und im Stator gegeneinander versetzt sind. Durch diese mehrfache Versetzung und die halbkugelförmige Ausbildung der Misch kammern erreicht man zwar eine Verbesserung der Vermi schung, jedoch können sich Ablagerungen bilden und ist der Energieaufwand erheblich und folglich der Mischwirkungsgrad verbesserungsbedürftig. Auch insoweit ist eine Übertragung von bei einer Ausführungsform bewährten Parametern auf andere Mischaufgaben oder andere Rotordurchmesser nicht ohne weiteres möglich.The situation is similar with other known ones Devices of the intended purpose (GB 9 30 339), in which the mixing chambers a have a rectangular plan and radial section are rectangular to trapezoidal. Here you can dead zones arise in corners of the depressions, in which deposits form. To ver the mixing efficiency improve, it is indicated in another device ben intended purpose known (EP 00 48 590), with more or less hemispherical mixing chambers not only in relation to the arrangement of the mixing chambers between rotor and stator, but also in the rotor and in the Stator are offset from each other. Through this multiple Dislocation and the hemispherical formation of the mixing chambers you can achieve an improvement in vermi However, deposits can form and is the Significant energy consumption and consequently the mixing efficiency in need of improvement. There is also a transfer in this regard of parameters proven in one embodiment other mixing tasks or other rotor diameters are not easily possible.

Ausgehend von der Vorrichtung des eingangs beschriebenen Aufbaus liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, anzuge ben, wie die Mischkammern auszubilden und anzuordnen sind und welche Beziehungen zu beachten sind, damit, unabhängig von dem leistungsabhängig gewählten Rotordurchmesser und für weitgehend beliebige thermoplastische Kunststoffe, re produzierbar ein hoher Mischwirkungsgrad entsteht und Vor mischung oder aufwendige Verstellmaßnahmen nicht erforder lich sind.Starting from the device described at the beginning Construction, the invention has for its object to suit ben how to design and arrange the mixing chambers and what relationships to look out for, regardless of the rotor diameter selected depending on the power and for largely any thermoplastic, right producible a high mixing efficiency arises and pre Mixing or complex adjustment measures are not required are.

Zur Lösung dieser Aufgabe lehrt die Erfindung, daß für die Ausbildung und Anordnung der in Rotor und Stator gleich ausgebildeten Mischkammern die folgenden Beziehun gen gelten,To achieve this object, the invention teaches that for the formation and arrangement of the rotor and stator equally trained mixing chambers the following relationships apply,

a) the mixing chambers are front and back of a semicircle with a guide radius in the range of 10 limited to 20 mm,
b) the mixing chambers are circular in radial section shaped gutters with the guide radius as gutter radius led, the channel depth is smaller than the Leitra dius,
c) the mixing chambers have a length which is three times up to four times the guide radius,
d) the webs point between the mixing chambers in the upper area of the stator or the rotor has a web width, which is smaller than half the guide radius,
e) the mixing chambers have an ab in the axial direction stood, which corresponds to about a third of the guide radius,
f) the number of mixing chambers in the peripheral rows as well in the axial rows of the rotor on the one hand and the Sta tors, on the other hand, match and the circumferential series are against each other by half the length of the mixing chambers transferred.

Es wird vorausgesetzt, daß dabei auslegungsmäßig die Scherweite stets so gewählt wird, daß eine genügend große Schergeschwindigkeit erreicht wird.It is assumed that the Shear width is always chosen so that a sufficiently large Shear rate is reached.

Bewährt hat sich eine Ausführungsform, die dadurch ge kennzeichnet ist, daß der Leiterradius bei einem Durchmesser des Rotors von etwa 100 mm etwa 15 mm beträgt. Es emp fiehlt sich, die Länge der Mischkammern mit abnehmender Rinnentiefe größer zu wählen.An embodiment has proven its worth indicates that the conductor radius with a diameter of the rotor of approximately 100 mm is approximately 15 mm. It emp the length of the mixing chambers decreases with decreasing Select channel depth larger.

Der Ausdruck Leitradius bedeutet im Rahmen der Erfindung, daß dieser Radius die beschriebenen Beziehungen gleichsam als Leitparameter und feste Bezugsgröße bestimmt. Über raschenderweise erreicht man durch die beschriebene Ab stimmung auf den Leitradius auch eine beachtliche Verbes serung des Mischwirkungsgrades: Im plastifizierten Zustand stellt ein thermoplastischer Kunststoff zwar eine Flüssig keit dar, jedoch eine Flüssigkeit eigener Art. Die Strö mungsverhältnisse sind bei thermoplastifiziertem Kunst stoff außerordentlich kompliziert (Schenkel "Kunststoff- Extrudertechnik", 1963, S. 93 bis 104). Die Durchmischung in einer leichtströmenden Flüssigkeit oder in einem Gas ist bekanntlich dann besonders intensiv, wenn das Strö mungsbild das einer turbulenten Strömung ist. Bei thermo plastifiziertem Kunststoff ist die Turbulenzbildung durch die hohe Viskosität beeinträchtigt. Erfindungsgemäß ent steht überraschenderweise eine Durchmischung, wie bei homogener isotroper Turbulenz in einem Gas oder in einer leicht strömenden Flüssigkeit. Sie wird durch die besonde re Geometrie erzwungen. Bei der erfindungsgemäßen Vor richtung sind die Mischkammern mit einem sehr hohen Ord nungsgrad angeordnet. Ihre Geometrie ist abgestimmt auf den Leitradius. Das gilt insbes. auch für die Länge. Nach Maßgabe der Viskosität des thermoplastifizierten Kunst stoffes muß bei der Auslegung der Vorrichtung eine unter schiedliche Scherspaltweite eingerichtet werden, die sich durch Versuche leicht ermitteln läßt. Überraschenderweise bleibt erfindungsgemäß der thermoplastifizierte Kunststoff in den Vertiefungen nicht liegen.In the context of the invention, the term guide radius means that this radius, as it were, the relationships described determined as a key parameter and a fixed reference variable. About surprisingly you can reach it through the Ab tuning to the guide radius is also a considerable verb Improvement of the mixing efficiency: in the plasticized state a thermoplastic plastic is a liquid represents a liquid of its own kind. The currents Ratios are with thermoplastic art fabric extremely complicated (leg "plastic Extrudertechnik ", 1963, pp. 93 to 104). The mixing in a light flowing liquid or in a gas is known to be particularly intense when the current This is a turbulent flow. At thermo Plasticized plastic is the result of turbulence the high viscosity affects. According to the invention is surprisingly a mix, as in homogeneous isotropic turbulence in a gas or in a easily flowing liquid. It is special re geometry enforced. In the case of the invention direction are the mixing chambers with a very high order efficiency arranged. Your geometry is tailored to the guide radius. This applies in particular to the length. To Providing the viscosity of the thermoplastic art Substance must be one in the design of the device different shear gap width can be set up can easily be determined by experiments. Surprisingly remains according to the invention the thermoplastic do not lie in the depressions.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung ausführlicher erläutert. Es zeigt in schematischer Darstellung In the following the invention is based on a Embodiment representing drawing in more detail explained. It shows a schematic representation

Fig. 1 die Seitenansicht eines Rotors einer erfindungsge mäßen Vorrichtung, Fig. 1 is a side view of a rotor of a erfindungsge MAESSEN device,

Fig. 2 einen Schnitt in Richtung A-A durch den Gegenstand nach Fig. 1, Fig. 2 is a section in direction A by the subject matter according to Fig. 1,

Fig. 3 den vergrößerten Ausschnitt B aus dem Gegenstand nach Fig. 2, Fig. 3 shows the enlarged detail B from the article of Fig. 2,

Fig. 4 in gegenüber den Fig. 1 und 2 vergrößertem Maßstab einen Längsschnitt durch den Stator einer erfin dungsgemäßen Vorrichtung, ausschnittsweise, Fig. 4 in comparison with FIGS. 1 and 2 on an enlarged scale a longitudinal section through the stator of an OF INVENTION to the invention apparatus, fragmentary,

Fig. 5 einen Schnitt in Richtung C-C durch den Gegenstand nach Fig. 4, Fig. 5 is a section in direction CC by the subject matter according to Fig. 4,

Fig. 6 in einem Längsschnitt die erfindungsgemäße Vorrich tung hinter einer Schneckenstrangpresse, aus schnittsweise, Fig. 6 a longitudinal section of the inventive Vorrich tung behind a screw extruder, from section-wise,

Fig. 7 in einem Längsschnitt die erfindungsgemäße Vorrich tung in einer Schneckenstrangpresse, ausschnitts weise. Fig. 7 in a longitudinal section, the Vorrich device according to the invention in a screw extruder, detail.

Die in den Fig. 1 bis 5 dargestellte Vorrichtung mag an eine Schneckenstrangpresse, d. h. an einen sogenannten Extruder, anschließbar sein. Sie könnte aber auch als Ab schnitt in eine solche Schneckenstrangpresse eingebaut sein. Die Durchmesser des Stators 1 und des Rotors 2 kön nen beachtlich größer sein als es dem Schneckendurchmesser bzw. dem Zylinderdurchmesser der Schneckenstrangpresse entspricht. Die Vorrichtung dient zum Mischen von thermo plastifiziertem Kunststoff mit Additiven, anderen Kunst stoffen o. dgl. Zum grundsätzlichen Aufbau gehören der Rotor 2 und der Stator 1, die zwischen sich im montierten Zustand einen Scherspalt 3 bilden. Der Rotor 2 sowie der Stator 1 besitzen in Umfangsreihen und in Axialreihen an geordnete Mischkammern 4, die, in radialer Richtung be trachtet, mit einem langgestreckten Grundriß mit in Achs richtung verlaufenden Flanken 5 versehen sind. All diese Mischkammern 4 sind identisch ausgebildet, bis auf die stirnseitigen Mischkammern 4 bzw. die endseitigen Misch kammern 4 am Rotor 2 und am Stator 1, die wegen dort ange brachter kegelförmiger Teilstücke 6 des Rotors 2 bzw. des Stators 1 anders ausgebildet sein müssen. Die Anordnung ist fernerhin so getroffen, daß die Anzahl der Mischkam mern 4 in den Umfangsreihen sowie in den Axialreihen des Rotors 2 einerseits und des Stators 1 andererseits über einstimmen. Die Umfangsreihen des Rotors 2 sind gegenüber den Umfangsreihen des Stators 1 um die halbe Länge L der Mischkammern 4 gegeneinander versetzt.The device shown in FIGS. 1 to 5 may be connectable to a screw extruder, ie to a so-called extruder. But you could also be installed as a section in such an extruder. The diameter of the stator 1 and the rotor 2 can be considerably larger than the screw diameter or the cylinder diameter of the screw extruder. The device is used for mixing thermoplastic plastic with additives, other plastics or the like. The basic structure includes the rotor 2 and the stator 1 , which form a shear gap 3 between them in the assembled state. The rotor 2 and the stator 1 have in circumferential rows and in axial rows of ordered mixing chambers 4 , which, in the radial direction, are provided with an elongated floor plan with flanks 5 extending in the axial direction. All of these mixing chambers 4 are identical, except for the front mixing chambers 4 and the end mixing chambers 4 on the rotor 2 and on the stator 1 , which have to be designed differently because of the conical portions 6 of the rotor 2 and the stator 1 which are brought there. The arrangement is also such that the number of Mischkam numbers 4 in the circumferential rows and in the axial rows of the rotor 2 on the one hand and the stator 1 on the other hand agree. The circumferential rows of the rotor 2 are offset from one another by half the length L of the mixing chambers 4 compared to the circumferential rows of the stator 1 .

Aus einer vergleichenden Betrachtung der Fig. 1 und 4 ent nimmt man, daß die Mischkammern 4 einen Grundriß aufweisen, der stirnseitig und rückseitig von einem Halbkreis mit dem Leitradius R begrenzt ist. Aus den Fig. 2 und 5 entnimmt man, daß die Mischkammern 4 als im Radialschnitt kreisbo genförmige Rinnen mit eben dem Leitradius R als Rin nenradius ausgeführt sind. Auch die Rinnentiefe T ist auf den Leitradius abgestimmt. Dazu wird insbes. auf die Fig. 3 verwiesen. Man erkennt, daß die Rinnentiefe T kleiner ist als es dem Leitradius R entspricht (T < R). Die Misch kammern 4 weisen eine Länge L auf, die dem Dreifachen bis Vierfachen des Leitradius R (L = 3R bis 4R) entspricht. Im Ausführungsbeispiel ist L = 50 mm. Die Stege 7 zwischen den Mischkammern 4 in der Oberfläche des Rotors 2 und des Stators 1 weisen eine Stegbreite B auf, die kleiner ist als dem halben Leitradius R entspricht (B < ^R/₂). Nicht gezeichnet wurde die Scherspaltweite W zwischen Rotorober fläche und Statoroberfläche (sie kann aus Maßstabsgrün den zeichnerisch nicht dargestellt werden). Sie wird expe rimentell ermittelt und z. B. so eingerichtet, daß sie kleiner ist als ^R/₂, vorzugsweise kleiner als ^R/₄.Ent from a comparison of FIGS. 1 and 4, it is believed that the mixing chambers 4 have a plan which is the front side and the rear side bounded by a semi-circle with the R Leitradius. From FIGS. 2 and 5 it can be seen that the mixing chambers 4 are designed as radial grooves in radial section with the guide radius R as the radial radius R. The channel depth T is also matched to the guide radius. For this purpose, reference is made in particular to FIG. 3. It can be seen that the channel depth T is smaller than the guide radius R (T < R) . The mixing chambers 4 have a length L which is three to four times the guide radius R (L = 3 R to 4 R) . In the exemplary embodiment, L = 50 mm. The webs 7 between the mixing chambers 4 in the surface of the rotor 2 and the stator 1 have a web width B which is smaller than half the guide radius R (B < ^R / ₂ ). The shear gap width W between the rotor surface and the stator surface was not drawn (it cannot be shown in the drawing for reasons of scale). It is determined experimentally and z. B. set up so that it is smaller than ^R / ₂ , preferably smaller than ^R / ₄ .

Aus den Fig. 1 und 4 entnimmt man, daß die Mischkammern 4 in axialer Richtung voneinander einen Abstand A aufweisen, der etwa einem Drittel des Leitradius entspricht. Im Ausführungs beispiel mag der Durchmesser D des Rotors 2 etwa 100 mm betragen. Dann ist die Anordnung so getroffen, daß der Leitradius R im Bereich von 10 bis 20 mm liegt, vorzugs weise etwa 15 mm beträgt. Die Länge L der Mischkammern 4 soll mit abnehmender Rinnentiefe T größer gewählt werden.From FIGS. 1 and 4, it draws in that the mixing chambers 4 have in the axial direction from one another a distance A, which corresponds approximately to one third of the Leitradius. In the execution example, the diameter D of the rotor 2 may be approximately 100 mm. Then the arrangement is made so that the guide radius R is in the range of 10 to 20 mm, preferably about 15 mm. The length L of the mixing chambers 4 should be chosen larger with decreasing channel depth T.

Im montierten Zustand besitzt der Stator 1 im allgemeinen eine Beheizung, die, ggf. zonenweise, auf eine vorgegebene Mischtemperatur für den thermoplastifizierten Kunststoff regelbar ist. In the assembled state, the stator 1 generally has a heating which, if appropriate in zones, can be regulated to a predetermined mixing temperature for the thermoplastic.

In der Fig. 6 erkennt man rechts eine Schneckenstrangpres se 8, der die erfindungsgemäße Vorrichtung nachgeschaltet ist. Ein Werkzeug 9 schließt sich an. Bei der Fig. 7 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung gleichsam ein Abschnitt der Schneckenstrangpresse 8. Es versteht sich, daß der Kunststoff, der in diesen Abschnitt eintritt, ausreichend, aber nicht vollständig, plastifiziert sein muß.In FIG. 6 is a right recognizes Schneckenstrangpres se 8, which is connected downstream of the inventive device. A tool 9 follows. In FIG. 7, the apparatus of the invention is, as a portion of the worm extruder 8. It is understood that the plastic entering this section must be sufficiently, but not completely, plasticized.

Claims

1. Apparatus for mixing thermoplastic material with a stator and a rotor arranged therein, facing each other on their circumference, in the circumferential direction and in the axial direction, formed as trough-shaped depressions Ver mixing chambers, characterized in that for education from and arrangement of the mixing chambers ( 4 ) of the same design in the stator ( 1 ) and rotor ( 2 ), the following relationships apply:

a) The mixing chambers ( 4 ) are delimited on the front and rear by a semicircle with a guide radius (R) in the range from 10 to 20 mm.
b) The mixing chambers ( 4 ) are designed as channels which are circular in the radial section and have the guide radius (R) as the channel radius, the channel depth (T) of which is smaller than the guide radius (R) .
c) The mixing chambers ( 4 ) have a length which corresponds to three to four times the guide radius (R) .
d) The webs ( 7 ) between the mixing chambers ( 4 ) in the surface of the stator ( 1 ) or the rotor ( 2 ) have a web width (B) which is smaller than half the guide radius (R) .
e) The mixing chambers ( 4 ) are at a distance (A) from each other in the axial direction, which corresponds to approximately one third of the guide radius (R) .
f) The number of mixing chambers ( 4 ) in the circumferential rows and in the axial rows of the rotor ( 2 ) on the one hand and the stator ( 1 ) on the other hand match and the circumferential rows are offset by half the length of the mixing chambers ( 4 ).

2. Device according to claim 1, characterized in that the guide radius (R) at a diameter (D) of the ro tor ( 2 ) of about 100 mm is about 15 mm.

3. Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the length (L) of the mixing chambers ( 4 ) is chosen larger with decreasing gutter depth (T) .